desafios da microeletrÔnica no brasil e na ufpr prof. oscar c. gouveia filho

DESAFIOS DA MICROELETRÔNICA NO

BRASIL E NA UFPR

PROF. OSCAR C. GOUVEIA FILHO

ALGUNS EVENTOS HISTÓRICOS

ANO EVENTO1895 Marconi faz a primeira transmissão de rádio

1904 Fleming inventa o diodo a vácuo – início da Era da Eletrônica

1925 Lilienfield apresenta o conceito do dispositivo de efeito de campo

1947 Bardeen, Brattain e Shockley inventam o transistor bipolar nos laboratórios Bell

1956 Bardeen, Brattain e Shockley recebem o premio Nobel pela invenção do transistor bipolar nos laboratórios Bell

1958 Desenvolvimento do circuito integrado por Kylby – Texas Instruments e Noyce e Moore – Fairchild Semiconductor

2000 Kilby recebe o premio Nobel pela invenção do CI

LEI DE MOORE

LEI DE MOORE

LEI DE MOORE

Evolução nos níveis de integração

Ano Referência histórica Componentes por chip

1950 Componentes discretos 1 – 2

1960 SSI – Small-scale integration < 102

1966 MSI – Medium-scale integration 102 – 103

1969 LSI – Large-scale integration 103 – 104

1975 VLSI – Very large-scale integration 104 – 109

1990 ULSI – Ultra large-scale integration > 109

MERCADO MUNDIAL DA ELETRÔNICA

1992 US$ 1 Trilhão, aproximadamente 10% do PIB2000 US$ 4 Trilhões

Categoria Porção (%)

Circuitos para processamento de dados 23

Programas e serviços para processamento de dados 18

Eletrônica profissional 10

Telecomunicações 9

Eletrônica de consumo 9

Componentes ativos 9

Componentes passivos 7

Eletrônica industrial 5

Instrumentação 5

Eletrônica de escritório 3

Aplicações médicas 2

MERCADO BRASILEIRO

Déficit Comercial de Produtos Eletroeletrônicos

Jan-Dez 2001 - US$ 4.04 bilhões

Jan-Dez 2002 - US$ 5.80 bilhões

Variação – - 33%

Fonte: ABINEE

Importações de Produtos do Setor(US$ milhões) 2000 2001 2002

 2002%2001  

Automação Industrial * 801 966 776 -20%

Componentes Elétricos e Eletrônicos

6.610 6.116 5.090 -17%

Equipamentos Industriais 667 1.545 1.768 14%

GTD 213 338 279 -17%

Informática 1.080 1.038 733 -29%

Material Elétrico de Instalação 640 593 437 -26%

Telecomunicações 1.522 2.340 707 -70%

Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas 355 382 336 -12%

Total 11.887 13.318 10.125 -24%

Principais produtos eletroeletrônicos importados

TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS

Microeletrônica

Silício GaAs

CMOS Bipolar MESFET Bipolar

TECNOLOGIA BIPOLAR

• Tecnologia mais antiga - mais popular nas décadas de 60 e 70

• Operação em freqüências altas

• Alta transcondutância - aplicações lineares

• Menor densidade de integração relativa aos processos MOS

• Maior consumo de potência relativo aos processos MOS

• TTL, ECL, I2L

Construção do transistor bipolar

IEEE Spectrum, Jan. 99Transistor bipolar SiGe

base

emissor

coletor

TECNOLOGIA CMOS

• Baixo consumo estático de potência

• Alta densidade de integração

• Atualmente é a tecnologia mais utilizada

• Circuitos mistos analógicos e digitais no mesmo chip

•Tecnologia otimizada para circuitos digitais

VDD

VoutVin

MP

MN

polissilício de porta óxido SiO2

difusão de fonte ou dreno

substrato

canal de inversão

Estrutura

do MOSFET

canal N

p+n+n+

p-

+ VSB -

+ VGB -

+ VDB -

SG

D

B

L

W

ESTRUTURA CMOS

Transistores SOI

Porta

Óxido isolante

Camada fina de Si

Substrato de Si

Contatos de fonte e dreno

Metal

CLASSIFICAÇÃO DOS CIRCUITOS INTEGRADOS

CIRCUITOS INTEGRADOS (CI´s)

Digitais

Microprocessadores

Microcontroladores

Processadores digitais dedicados

Analógicos

AmplificadoresFiltrosModuladoresConversores A/D e D/A

AnalógicosBaixa freqüênciaRádio freqüência (RF)

Mistos Processadores digitais de sinais

Circuitos digitais

•Alta densidade de integração

•Ferramentas de projeto bastante desenvolvidas

•Projetista praticamente não trabalha a nível de transistor

•Utilização de linguagens de descrição de alto nível (HDL)

Circuitos Analógicos

•Menor densidade de integração

•Projeto manual

•Projetista trabalha a nível de transistor

•Conhecimento do comportamento físico do dispositivo

•Ferramenta básica : simulador de circuitos (elétrico)

Sistemas integrados

• baixo custo• baixo consumo de

potência• baixas tensões de

alimentação

EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS PORTÁTEIS

•Tecnologia CMOS

•Alta densidade de integração•Baixo consumo de potência•Escalamento Reutilização de projetos

SISTEMAS INTEGRADOS EM UM CHIP

PROPRIEDADE INTELECTUAL

Componentes virtuais

SILÍCIO20%

PROP. INT.80%

1997 2000

CRESCIMENTO DO VALOR DA PROPRIEDADE INTELECTUAL RELATIVA AO SILÍCIO

SILÍCIO50%

PROP. INT.50%

Processo de Projeto de um Sistema Integrado em um Chip

Derek K. Shaeffer et all, A 115-mW, 0.5 CMOS GPS Receiver with Wide Dynamic-Range Active Filters, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 33, NO. 12, DECEMBER 1998

FERRAMENTAS DE PROJETO(Electronic Design Automation - EDA)

FERRAMENTAS DE PROJETO

EDA (Electronic Design Automation)

Programas de computador que realizam diversas tarefas no processo de projeto de um circuito integrado

TIPOS DE FERRAMENTAS

• Ferramentas de validação do projeto - SIMULADORES• Ferramentas para “layout”

SIMULADORES

•Simuladores lógicos: Simulam o circuito a nível comportamental.

– Servem para verificar se o circuito realiza corretamente a função para a qual foi projetado.

– A descrição do circuito é feita no nível de funções lógicas.

– Os sinais de entrada e saída são estados lógicos (0, 1, X, Z).

– Aplicação: circuitos digitais.

•Simuladores de atraso (timing)

– Determinação do atraso na propagação de sinal em circuitos digitais

– Usam modelos simplificados para os dispositivos .

SIMULADORES

•Simuladores Elétricos

– Fazem a análise do comportamento elétrico do circuito

– Utilizam modelos mais complexos para os componentes

– Circuitos analógicos e digitais pequenos

•Simuladores Mistos

– Circuitos mistos analógicos - digitais

– Simulação elétrica e lógica

– Incluem modelos para a interface analógica/digitall

FERRAMENTAS PARA “LAYOUT”

PLANEJAMENTO GERAÇÃO SUPORTE

Planta do Chip

Alocador e Roteador

Planta dos Blocos

Geração deCélulas

Geração deBlocos

Montagem doChip

Verificação

Migração

Formatação de dados

FERRAMENTAS PARA GERAÇÃO DE LAYOUT

•Editores gráficos –O desenho das máscaras é feito manualmente na tela do computador.

–O layout é convertido em uma linguagem de especificação geométrica padronizada (CIF) que é usada na fábrica para gerar as máscaras.

•Geradores de dispositivos–Geram automaticamente o layout a nível de transistor ou de células. Nova geração do editores de layout. São caros para a pequena empresa.

•Roteadores: Programas específicos para fazer interconexões.

•Alocadores: Otimizar a alocação de células e blocos.

•Roteadores: Programas específicos para fazer interconexões.

•Compactadores: Usados para ajustar o layout às regras de projeto

•Compiladores de Silício: Geração automática de layout. Engloba

as ferramentas anteriores. Perda de flexibilidade, porém aumento na

velocidade de projeto. Muito caros para a pequena empresa.

FERRAMENTAS DE VERIFICAÇÃO

•Checadores de regras de projeto (DRC): Programas que verificam erros de violação de regras de projeto no layout.

•Layout versus esquemático (LVS): Fazem uma verificação cruzada entre layout e esquemático.

•Extrator de circuito: Programa que extrai o esquema do circuito a partir do layout. Usado para verificar se o layout corresponde ao circuito projetado e para determinar elementos parasitas. Asaída pode ser um “netlist” na linguagem utilizada pelos simuladores de circuitos.

FERRAMENTAS DE SUPORTE

FERRAMENTAS DE MIGRAÇÃO

•Reutilização de projetos

•Evolução dos processos de fabricação

PROJETO DE Cis NA UFPR

FERRAMENTAS

• MAGIC – Editor de layout – gratuito – LINUX

•L- EDIT - Editor de layout

• MENTOR GRAPHICS – Ferramenta Profissional

• SIMULADORES DE CIRCUITOS

RECURSOS PARA INTEGRAÇÃO

•MOSIS

O QUE FAZEMOS

GRADUAÇÃO: 2 DISCIPLINAS OPTATIVAS

• Projeto de circuitos integrados digitais ( 7o período )• Projeto de circuitos integrados analógicos ( 8o período )

PÓS-GRADUAÇÃO

• Modelagem do transistor MOS• Modelagem de elementos passsivos (indutores)• Projeto de circuitos integrados de RF• Projeto de circuitos integrados digitais

CI projetado pelo grupo de Microeletrônica do CIEL/UFPRusando a técnica de Sea-of- gates

Circuitos de RF